使用脉动流模拟器开发 离体 二尖瓣评估模型

摘要

我们提出了一个 离体 模型，用于将羔羊二尖瓣安装到脉动模拟器中，以评估生理条件下的瓣膜功能。这种设置能够在可重复、解剖学准确的配置中使用生物组织对二尖瓣动力学进行定量评估。

摘要

外科二尖瓣修复仍然是一项具有挑战性的手术。尽管已经确定了几种修复技术，但缺乏比较其血流动力学影响的数据。市售的脉冲复制器通常用于模拟通过机械或 3D 打印心脏瓣膜的血液循环。然而，由于二尖瓣的特殊结构和工作机制，手术技术的实验需要使用生物组织。 离体 lamb 二尖瓣适用于此类实验，但将这些瓣膜安装到脉冲复制器系统 （PDS） 的方法尚不明确。为了解决这个问题，我们通过 3D 打印和硅胶成型作为二尖瓣支架对系统进行了修改。对于每个实验，我们从羔羊心脏中切除二尖瓣，包括其瓣环和瓣下器官。我们使用硅胶支架将其植入试验机的房室（二尖瓣）瓣膜区域。通过将缝合线系在腱索-状交界处并将这些缝合线穿过心室底部的释放孔来模拟肌紧张。以每分钟 120 次的心率和 2 L/min 的心输出量进行瓣膜能力的初步测试。使用脉冲复制器电磁流量计测量瓣膜反流和心房和心室之间的压力梯度，并用超声心动图验证。基线血流动力学测试显示，在 5 个实验中瓣膜功能一致，平均反流分数为 21.1%，回声衍生的透射梯度范围为 5.15 至 8.13 mmHg。每搏输出量和峰值流速因标本而异，反映了儿科模型内的生理变异性。

引言

二尖瓣修复术已经取得了显着发展，现代手术技术提供了增强的疗效和改善的长期结果¹。尽管许多中心都有标准化的二尖瓣修复策略，但在综合评估这些干预措施的血流动力学影响方面仍然存在持续差距²。优化修复策略，特别是对于解剖学复杂或儿科病例，需要允许受控、可重复的生理测试的模型。

本研究的主要目的是使用生物二尖瓣开发一种可重复的离体模型，从而能够在生理流动条件下精确评估瓣膜动力学。脉冲复制器系统通过促进在近生理条件下对瓣膜功能的离体分析，显着推动了瓣膜生物力学领域的发展 ^3,4,5。这些系统已应用于主动脉瓣和肺动脉瓣，最近又应用于二尖瓣。然而，开发这项技术的目标来自二尖瓣独特的解剖和功能复杂性，尤其是其瓣膜下器官，这需要生物学上准确的模型。有大量关于二尖瓣离体模型的文献;然而，这些研究都没有提供收获技术的详细描述，也没有强调在提取过程中保持二尖瓣和瓣膜下器官结构完整性所需的关键步骤 ^6,7。此外，文献缺乏关于如何将切除的瓣膜成功集成到脉冲复制器系统中的实用指导，这对于实现生理相关的血流动力学模拟至关重要。

在成人心脏手术中，已经使用 离体 模型评估了几种修复技术，例如边到边修复、腱索置换和状近似⁵。这些技术产生了有价值的生物力学见解。相比之下，儿科应用仍未得到充分探索，只有有限的 体外 研究解决了二尖瓣裂等先天性异常。其中一项研究表明，完全裂隙闭合对恢复瓣膜功能的重要性⁶。

这种方法特别适用于有兴趣在受控环境中评估先天性或复杂二尖瓣病变修复结果的研究人员和临床医生。通过从羔羊心脏中采集二尖瓣装置（因其解剖学与儿科瓣膜相似而被选中），并将它们安装在脉动流模拟器内的定制硅胶支架中，该系统复制了真实的血流动力学并允许进行连续测试。重要的是，该模型避免了活体动物实验，并为模拟反流、狭窄、裂隙或瓣膜下融合提供了一个适应性强的平台⁸。

本研究采用 Vivitro 脉冲复制器系统来评估二尖瓣的疗效并模拟心脏功能。该过程从激活系统软件开始，然后选择合适的波形参数，例如收缩压与舒张压比、心率（每分钟心跳次数）和波长。随后将二尖瓣插入复制器的测试室，并连接了所有必要的传感器。打开校准文件，同时启动系统，以确保在安装传感器后从传感器和管道中去除所有空气。为了保证精确的测量，整个流体回路必须没有氧气，并完全充满盐溶液。当系统处于稳态运行时，每搏输出量更改为 25 mL。数据采集从记录 10 个循环开始，当时发现系统没有泄漏或错误。然后将生成的数据以电子表格格式导出以供进一步分析。由于系统能够自动计算大多数所需的参数，包括反流体积和几次压力测量，因此更容易对研究进行定量评估（图 1A）。

总之，这种 离体 模型为研究二尖瓣修复提供了一种标准化的、生物学相关的方法，弥合了计算机建模和 体内 测试之间的差距，并扩大了手术创新的转化价值。

方案

这项研究是使用从有执照的屠宰场获得的羔羊心进行的。根据伊斯坦布尔大学-Cerrahpaşa 地方动物实验伦理委员会 （2025/11） 的决定，这项工作属于 HADYEK 指令第 8 条 （8-k1） 概述的豁免，因此不需要伦理批准。

1. 实验设置

1. 使用 3D 建模软件复制脉冲复制器系统的二尖瓣流入组件。创建现有几何图形的数字副本以确保兼容性。在 3D 打印机上使用 PLA 耗材打印设计。使用打印好的模具铸造硅胶流入室。固化后，将硅胶部分集成到系统中，确保其牢固贴合并保持适当的密封（图 1B、C）。
2. 从附近的屠宰场购买羔羊心脏，并立即注意确保在宰后获得心脏，以保持其生理状态。收集后，将心脏分别在 -20 °C 下存放在冰箱中以保持其结构完整性，或立即在实验程序中使用它们。
   注意：所有实验均在适当的安全预防措施下进行。全程使用手套和头罩，每次使用后所有手术器械都用酒精消毒。

2. 采集二尖瓣

1. 右心室和心房的脑室切开术和切除术
   1. 使用手术剪刀在心尖处做一个横向切口。沿室间沟向右心室向上延伸切口。在解剖过程中要注意避免损伤肌。请参阅 图 2A - B 了解切口轨迹和解剖标志。
   2. 使用手术剪刀切除右心室的游离壁以延长暴露。继续整块切除右心房以完全暴露室间隔。这种暴露对于随后的瓣下结构解剖至关重要（图 3A，B）。
2. 室间隔 （IVS） 切口
   1. 观察从主动脉根部到左心室腔的二尖瓣。根据主动脉瓣平面下方的方向识别前叶。确保在隔膜切口前完全暴露小叶（图 4A）。
   2. 使用精细的手术剪刀，从二尖瓣前叶对侧的主动脉根部开始切开 IVS。沿隔膜向下延伸切口，朝先前所做的根尖切口延伸。打开隔膜以暴露左心室腔，而不会损坏瓣膜下结构（图4B）。
3. 肌清扫术
   1. 暴露左心室，用细剪刀切除肌。保留腱索以维持二尖瓣功能（图 4C）。
4. 左心房切除术
   1. 圆周切除左心耳以改善从上方看到二尖瓣环（图 5A，B）。
   2. 通过左心房向上转移肌以倒置二尖瓣并安全地将它们从心室表面暴露出来进行切除（图6A）。
   3. 修剪二尖瓣环周围的多余组织，确保圆周保留至少 10 毫米的组织，以保持解剖学的完整性和功能（图 6B）。
5. 肺和主动脉组织切除
   1. 从主动脉和肺动脉中取出所有残留的组织，以防止干扰二尖瓣装置放入硅胶模具中的位置。

3. 将二尖瓣放入硅胶模具中

1. 二尖瓣测量
   1. 沿前后轴测量二尖瓣前瓣叶和后瓣叶的长度，以评估瓣叶尺寸（图 7A，B）。
   2. 记录二尖瓣沿内侧轴的长度，用于随后的模具拟合和尺寸分析（图 7C）。
   3. 估计接合区的颅尾长度约为后叶前后长度的 1/4。测量此距离以评估小叶重叠和密封能力。
   4. 使用测量的尺寸计算适当的环形保留裕度。选择一个 30 毫米的硅胶模具，以确保二尖瓣器官的最佳配合和稳定性（图 8A）。使用以下公式：
      a = （30-x）/2
      其中 a = 距连合应留的距离;x = 测得的内侧-外侧轴长度。
      b = （30 - z y） /2−估计的 ZC 长度
      其中 b = 表示前叶和后叶中剩余的距离;y = 后叶的长度;z = 前叶的长度。
   5. 测量后，将所有点连接起来形成一个连续的圆形轮廓，代表要缝合到硅胶模具上的区域（图 8B）。
2. 组织固定和腱索附着
   1. 将二尖瓣组织安装在硅胶模具上，使用 16 U 缝合线固定瓣环并保持其解剖位置（图 9A）。
   2. 使用 2-0 涂层编织聚酯缝合线将腱索系在肌的插入点。
   3. 将缝合线穿过心室底部的释放孔并固定以模拟生理性肌张力。目视调整小叶张力，以确保小叶边缘与瓣环平面保持对齐，并且不会突出到其上方。（图 9B）。
   4. 将缝合线以最大张力定位在 PDS 的左心室孔道，确保二尖瓣稳定而不会引起移位（图10A、B）。

4. 初始测试（基线模型）

1. 将准备好的二尖瓣模型放入脉动血流模拟器中进行基线血流动力学测试。根据儿科生理条件设置系统：心率为每分钟 120 次，心输出量为 2.0 升/分钟。
2. 用盐水填充脉冲复制器系统，确保整个回路没有气泡，以保持准确的压力和流量测量。
3. 在初始化之前将脉冲复制器系统归零，以确保所有后续测量准确。
4. 初始化系统，一旦达到所需的每搏输出量，单击 Capture 以记录血流动力学测量值。
5. 使用来自上心房和透明心房的超声心动图成像评估二尖瓣功能，以评估透射梯度和反流严重程度等参数，确保瓣膜模型的全面功能评估（图10C）。

结果

基线血流动力学数据来自五 次离体 实验，使用安装在脉冲复制器系统内定制硅胶支架中的天然二尖瓣。模型在标准化儿科生理条件下灌注 （心输出量： 2 L/min;HR：120 bpm），并使用压力传感器和超声心动图成像进行功能评估。

反流分数范围为 15.9%-26.6%，平均值为 21.1% ± 5.3%。不同标本的每搏输出量差异很大（平均值：42.8 mL;SD：47.6 mL），其中一个瓣膜的输出量超过 100 mL，与解剖学上合格的配置一致。平均峰流速为 154.4 mL/s（范围：135.8-190.8 mL/s），表明所有样品均能有效喷射阀。

使用两种方法评估透射梯度： 直接压力测量和超声心动图。计算的梯度范围为 -1.95 mmHg 至 13.14 mmHg，而回波衍生值更一致（平均值：6.14 mmHg;范围：5.15-8.13 mmHg）。值得注意的是，在五分之三的情况下，压力衍生的梯度接近于零或负值，这可能反映了宽专利阀上的低电阻或由于模拟器的静态组件而导致的压力测量噪声。

讨论

本研究的目的是开发一个在儿科血流动力学状态下复制二尖瓣的模型，指导我们选择使用羔羊心脏作为实验基础。这种选择是由于 lamb 二尖瓣与儿科患者之间的尺寸非常相似。从解剖学上讲，与人类心脏相比，羔羊心脏沿其纵轴表现出更向腹侧倾斜的方向，并且具有完全由左心室组成的相对钝的心尖⁸。据报道，成年人的心脏体重与体重比约为 5 g/kg，而羔羊的这一比率为 3 g/kg。尽管存在这种差异，但它对二尖瓣血流动力学的评估没有显著限制。解剖比例和功能动力学的相似性使羔羊心脏成为在 离体 环境中模拟和分析儿科二尖瓣状况的合适且可靠的模型。

准确测量二尖瓣尺寸对于确保在硅胶模具内正确对齐至关重要，特别是前后瓣叶长度、双连合距离和接合区长度。这些测量对于实现功能性和解剖学上具有代表性的瓣膜配置至关重要。所有标本都使用了使用 3D 打印生产的内周为 30 毫米的标准化硅胶模具，以保持整个研究的一致性。

二尖瓣几何特征已在...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2-0涂层编织聚酯缝合线	Covidien	88863230-56	测试过程中稳定肌
3D打印机	Ultimaker	Ultimaker S3	用于制造定制硅胶模具
5-0单丝聚丙烯缝合线，双臂	Covidien	VPF-720-X	将阀门缝合到硅胶模具上
DeBakey无创钳	Aesculap	MB062R	解剖过程中的组织处理
新鲜羊心	授权屠宰场	—	天然二尖瓣的来源
Mayo 解剖剪刀	Aesculap	BC252B	一般心脏解剖
微针架	Aesculap	FM538R	缝合二尖瓣
Nelson-Metzenbaum 剪刀	Aesculap	BC606R	用于缝合切割
脉冲复制器系统	ViVitro Labs	18363	用于瓣膜测试的模拟生理流动
硅胶模具	—	定制	用于复制心室几何形状
无菌盐水 （0.9%）	用于	灌注回路	PB180353